一种基于抗谐振光纤的湿度传感器，用于呼吸监测和非接触式皮肤检测

《Optics & Laser Technology》：A humidity sensor based on Anti-Resonant optical fiber for breath monitoring and non-contact skin detection

超快激光加工CFRP材料具有诸多优势，但存在热损伤和加工效率低的问题。本研究采用高压气流携带水雾冲击加工区域的方法，有效降低热影响区（HAZ）宽度达61.2%，同时将材料去除率提升69%至435.12 mm3/s。通过SEM和激光共聚焦显微镜分析，验证了水雾辅助在50%激光功率及90°扫描模式下最优。

　　随着科技的不断进步，碳纤维增强复合材料（CFRP）因其轻质、高强度和高刚度等优异性能，在航空航天、汽车制造、海洋工程、风力发电以及高端民用产品等领域得到了广泛应用。然而，CFRP材料在加工过程中面临着诸多挑战，尤其是热损伤和加工效率低下这两个关键问题。为了解决这些问题，研究者们正在积极探索新的加工方法，其中超快激光加工因其非接触、高精度和低损伤的特点，被认为是一种极具前景的解决方案。但在实际应用中，由于CFRP材料中碳纤维与树脂基体的热物理性能差异较大，激光加工过程中容易产生较大的热影响区（HAZ），这不仅影响了加工质量，还可能对材料的性能和使用寿命造成严重影响。

因此，如何有效抑制热损伤，提高激光加工效率，成为当前研究的重点。目前，常见的方法包括使用辅助气体和液体介质来冷却加工区域，减少热量积累。例如，有研究指出，引入氧气流可以显著改善激光切割CFRP的效率和质量，而氮气则能有效抑制热影响区的扩展。此外，使用水雾辅助激光加工的方法也逐渐受到关注。通过在加工区域喷洒水雾，可以有效带走多余的热量，从而减少树脂的热损伤，提高材料的去除效率。同时，水雾还能及时清除加工过程中产生的碎屑和废气，改善加工环境，进一步提升加工质量。

在本研究中，研究人员采用了高压空气携带水雾的方式，对CFRP材料进行激光铣削加工。实验结果表明，水雾辅助可以显著减少热影响区的宽度，特别是在50%的激光功率和90°的扫描模式下，热影响区宽度减少了61.2%，达到最优的52.3微米。此外，水雾辅助还显著提高了激光加工效率，材料去除率从257.39立方毫米/秒提升至435.12立方毫米/秒，增幅高达69%。这一效果主要归因于水雾的冲洗作用，它能够有效清除加工过程中产生的碎屑和烟雾，从而减少材料表面的污染和热损伤。

为了评估水雾辅助对热影响区和材料去除率的影响，研究人员采用了多种分析手段。其中包括使用扫描电子显微镜（SEM）观察热影响区的宽度，以评估热损伤的程度；使用激光共聚焦显微镜（LCM）观察铣削深度，并据此计算材料的去除率，以评估激光加工的效率。这些实验方法为研究水雾辅助在CFRP材料加工中的作用提供了可靠的依据。

在实验材料方面，本研究选用的是T300/QY8911 CFRP复合材料板。其中，碳纤维采用的是日本Toray公司生产的T300碳纤维，碳纤维的排列方式为[0°/90°/0°/90°]s，单层碳纤维的厚度约为0.125毫米。复合材料板的基体为环氧树脂，碳纤维与环氧树脂的体积比为0.6和0.4。这种材料结构使得CFRP在加工过程中表现出较高的复杂性和各向异性，因此需要更加精细的加工工艺和参数优化。

在对水雾辅助下热损伤的分析中，研究人员特别关注了CFRP材料表面暴露的0°铺层碳纤维，将其定义为热影响区（HAZ），并测量其宽度。由于碳纤维在纤维方向上的热传导速度较快，因此在加工过程中，孔洞两侧的热影响区变化更为显著。特别是在激光铣削路径的末端，由于热量积累更为明显，因此本研究主要选取了右侧的热影响区进行分析。通过对比不同工艺参数下的热影响区宽度和材料去除率，研究人员进一步验证了水雾辅助在提高加工效率和降低热损伤方面的有效性。

从现有文献来看，许多研究者已经对水雾辅助激光加工CFRP的方法进行了探索。例如，Chen等人研究了不同扫描速度下飞秒激光的能密度阈值，并讨论了工艺参数对热影响区宽度的影响。实验结果表明，碳纤维的消融阈值约为树脂的两倍，因此在给定的扫描速度下，当激光能密度为碳纤维消融阈值的50至60倍时，可以获得最小的热影响区宽度。Leone等人则使用了30瓦的Nd:YAG脉冲激光对1毫米厚的CFRP板进行切割，并分析了切割区域、脉冲能量、脉冲持续时间以及重叠率对切缝几何形状和热影响区的影响。结果表明，热影响区的扩展与激光点的重叠率之间存在指数关系，而这一关系的系数取决于激光脉冲能量和频率的组合。Wang等人则研究了不同扫描方向下CFRP的消融机制，发现热影响区的宽度和消融程度随着扫描角度的增加而增加，随着扫描速度的提高而减少。此外，相较于90°扫描方向，0°扫描方向的加工效率提高了55.36%，而热影响区宽度则减少了55.01%。

除了使用气体来抑制热损伤，研究者们还尝试了液体介质辅助的方法。例如，Kononenko等人发现，引入氧气流可以显著提高CFRP激光切割的效率和质量，而Hagiwara等人则指出，脉冲激光相较于连续激光更能有效抑制热影响区，但可能导致碳纤维端部的扩展。相比之下，氮气则能有效抑制热影响区的扩展以及碳纤维端部的延伸。此外，研究者们还尝试了溶液辅助激光加工的方法，但目前的研究仍主要集中在优化激光加工参数和扫描路径配置上。虽然通过反复调整激光操作参数可以在一定程度上限制热影响区的尺寸，但热力学限制仍然存在，即高功率激光脉冲容易导致热积累现象，进而引起纤维方向上的纵向热传导。这种热传导机制可能导致树脂的热分解以及界面的退化，这些现象仍然是现有工艺控制策略中的固有挑战。

为了解决上述问题，研究者们尝试在加工区域外引入辅助气体，以提高切割质量。例如，Zhou等人提出了一种水雾辅助激光加工的方法，通过喷洒水雾在材料表面形成流动的薄水膜，从而有效控制热损伤并减少热影响区的宽度。此外，他们还利用高速摄像机成像和X射线衍射分析，揭示了水雾辅助激光加工过程中材料去除机制和热损伤形成机制。Zhou等人还进行了有限元分析，研究了水雾辅助激光加工过程中温度和流场的特性，进一步阐明了材料去除和热损伤的形成机制。Wei等人则通过对比高速摄像机的实验观察与模拟分析，验证了圆形细水雾在提高激光加工质量方面的有效性，并研究了焦距距离、压力和水雾流速对消融深度和加工效率的影响。这些研究为水雾辅助激光加工CFRP提供了坚实的理论支持和实践依据。

尽管已有大量研究关注水雾辅助在CFRP材料加工中的应用，但针对水雾辅助超快激光铣削的深入研究仍显不足。因此，本研究旨在更全面地探讨水雾辅助对不同工艺参数下激光铣削CFRP材料的影响。具体而言，本研究主要考虑了不同的激光功率和扫描路径。通过对比有无水雾辅助的加工效果，研究人员希望能够更深入地理解水雾辅助在降低热损伤和提高加工效率方面的具体作用，从而找到更加优化的工艺参数，实现更高质量的CFRP加工。

综上所述，水雾辅助超快激光铣削CFRP材料是一项具有广阔应用前景的研究方向。通过合理选择工艺参数，如激光功率和扫描角度，可以有效控制热影响区的宽度，减少热损伤，同时提高材料的去除效率。此外，水雾辅助还能改善加工环境，清除加工过程中产生的碎屑和废气，从而提升整体加工质量。未来的研究可以进一步探索水雾辅助与其他冷却介质的协同作用，以及不同材料结构和加工条件下的最佳参数组合，以实现更高效、更环保的CFRP加工技术。